Outline

• GFM(Grid Forimg) Converter
  • 인버터 출력 전압을 제어하여 전력을 조절
  • 토폴로지의 차이가 있으나 기본적으로 위상정보 필요 X
  • 작은 직렬 임피던스를 가진 전압원 동작
  • 무부하 조건에서 부하 및 근처 다른 장치의 기준 전압을 제공
    
    
• GFL(Grid Following) Converter
  • 상위제어기의 유/무효전력 지령을 통해 출력하는 전류제어
  • 높은 병렬 임피던스를 가진 전류원 동작
  • 전류 주입을 위한 계통(Grid)의 위상정보 필요

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GFM / GFL 비교 [0]

• 다른 동작원리지만 정상상태에서 유/무효전력 주입, 컨버터의 전압, 전류 제한 등 제어함
• 추가 외부 루프로 PCC단 전압/주파수 조건과 계통 코드에 요구되는 실제 유/무효전력 설정이 가능함

• 두가지가 비슷해 보이나 Notion or Thevenin 등가회로로 상호교환 X
• 계통에 같은 상황이 발생하였을 경우 다르게 동작함

GFL

• $I_g$의 크기 및 위상을 일정하게 유지 $\rarr$ 컨버터 전압($V_c$) 위상이 변함
  : 새로운 전류 설정 값 계산을 위해 새로운 $V_g$의 위상각 검출이 필요
• 계통의 전압 각도, 컨버터 전류의 위상 이동을 계산하기 위한 전용 장치 필요
  : 유/무효전력 공급을 위해

GFM

• $I_g$의 즉각적인인 변화로 인해 컨버터의 내부 전압 위상($E$)은 거의 변화가 없음
• 컨버터 전류의 빠른 증가로 하드웨어 구성 요소가 위태로울 수 있음
• 동기기의 전력동기화 원리 모방을 통해 계통에 동기화 가능

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A. Grid Forming Converter

• 계통의 환경변화로 인해 그리드 포밍(GFM)기술이 대두됨
  $\quad$(동기발전기 $\rarr$ 인버터 기반 발전원, Micro & 독립 계통에 적용)
• 가상동기기 모델 제어, 동기발전기 등가회로 기반 모델 제어, Droop 제어 등
  
  
• 대부분 동기기 기반 방법을 사용하나 위상각에 의한 안정성 문제가 발생할 수 있음
• 전압원 동작으로 인해 GFM 컨버터의 전류가 계통의 상황에 의해 결정되어 빠르게 변할 가능성이 있음
  $\rarr$ Fault Ride-Through 전략이 필요함
• 계통연계와 독립운전 간 Hot-Swap 이슈가 있음

B. GFM Converter Algorithms

1. Outer Loop - 동기화

$\quad$ 1) Droop Control

• $D_f$는 Droop 계수, 설정 전력(${P^*}$)과 측정된 순간 전력($P$) 차이에 따른 컨버터 주파수 변화를 나타냄

$\quad \quad$ $\omega = \omega_{ref} + D_f(P^* - P)$

• 위 식으로 부터 $\theta$ 를 얻을 수 있음
• 간단한 구조, 정상 운전시 동기화 목적의 추가 장치 필요 X
  
  

$\quad$ 2) PSC(Power Synchronization control)

• 동기기의 메커니즘을 모방하여 과도 전력 전달로 동기화 달성
• Weak 계통에서 기존 벡터 제어 VSC(Voltage Source Converter)의 한계를 대응하기 위해 개발됨

$\quad \quad$ $\theta = {1\over s}$$[k_{i}(P^*-P)]+\theta_{ref}$

• $k_i$는 제어변수, $\omega_{ref}$를 적분하여 $\theta_{ref}$를 얻음
• 동기화 장치가 필요 X, 사전 동기화 및 계통 Fault 시 백업 PLL 사용
  ※ 백업 PLL; 정상상태에서 필요 X, 과전류 제한을 위해 사용 [10]
  
  

$\quad$ 3) EDPC(Enhanced Direct Power Control)

• PSC와 비슷한 구조
• 계통 Fualt 시 자기동기화에서 PLL모드로 전환을 방지하기 위해 정상 동작에서 PLL 사용을 예상함
• 출력 주파수는 PLL에 의해 제공되나 $\theta$ 계산은 수식을 따름

$\quad \quad$ $\theta = [P^*-P+{1\over R_{d}}(\omega_{ref})-\omega_{PLL}]G(1+{1\over Js})+\theta_{PLL}$

• PI 제어기 이득 $G$ 와 시간 상수 $J$로 구현, $R_d$는 주파수 Droop 계수의 역수
• 시간상수 $J$는 주파수 변화에 따른 컨버터 응답을 형성하기 위한 추가적인 자유도 역할을 하며 동기기와 유사한 동작 제공 [11]
• 가상 동기기의 동기화 루프는 단순성을 위해 실제 동기기 스윙방정식을 모방하여 제공 [30]

$\quad \quad$ $J \dot \omega = T_m-T_e-D_f$ $\omega$

• 관성 모멘트 $J$, 로터속도 $\omega$, 기계적 마찰 $D_f$, 전기적 토크 $T_e$, 기계적 토크 $T_m$
  
  

$\quad$ 4) Synchronverter

• 가상 동기기로서 알려짐 [13], [14]
• 정상상태와 사전동기화를 동시에 가능하게 함
• 실제 동기기를 모방한 프로세스를 사용하지만 표준 PLL과 비슷함 [31]
• 자유도 보상을 위해 원래 Synchronverter 제어구조를 수정해서 제안됨
  : 정상상태 Droop 동작을 유지하며, 제어의 동적 응답을 개선 [32]

• PI 제어기를 통해 컨버터의 Droop 제어 동작을 on/off 함
  $\quad \quad$ $\theta = {1\over s} \left[{(P^*-P){1\over J\omega_n}\over s+{D_p\over J(1+D_pPI_p(s)}}+\omega_{ref} {{{D_p\over J(1+D_pPI_p(s))}}\over {s+{D_p\over J(1+D_pPI_p(s))}}}\right]$
  
  

$\quad$ 5) SPC(Synchronous Power Control)

• 내부 주파수 루프에 2차 전달함수 구현, $P^*-P$에 작용

• 추가 주파수 Droop 루프가 구현되어 계통 주파수 $\omega$와 $\omega_{ref}$ 사이의 편차에 따라 유효전력을 조절함
  : $\omega$는 추정 예시; PLL 등
  $\quad \quad$ $\theta = {1 \over s} \left[{(P^*-P){1 \over J\omega_g}\over{s\ +\ 2\zeta\sqrt{{K_p\over J\omega_g}}}} + \omega_{ref}\right]$

• 가상 관성 $J$, 댐핑 계수 $\zeta$, $K_p$는 컨버터의 $\vartriangle\!\theta$ 와 $\vartriangle\!P$ 사이의 전달함수의 정상상태 값
  
  

$\quad$ 6) 구조 분석

• $D_f =k_i$로 가정하면 아래 방정식은 Droop 제어와 PSC 제어 모두에서 유효함

  $\quad \quad$ $\theta = {1\over s}\left[D_f(P^*-P)\ +\omega_{ref} \right]$

• 가상 동기기의 관성을 $0$으로 했을 경우 Droop 제어 구조와 같음 [17]-[19]
  : (측정된 컨버터 전력 $P$는 1cycle 의 Boxcar Filter로 처리)

• 측정된 컨버터 전력을 필터링하여 Droop제어기로 가상 동기기와 동일한 관성 응답 달성 가능 [9]

• Synchronverter와 SPC의 가상 동기기 구조의 동등성은 [33]에서 입증

• ???Synchronverter에 대해 산출하는 전력 차이 $P_{diff}=P^*-P$는 3)에서의 수식을 미분하여 다음 수식을 얻음
  $\quad \quad$ ${\partial\ \theta \over\partial\ P_{diff}}={1\over s} \left[{{1\over J\omega_n}\over {s+{D_p\over J}} }\right]$

• SPC에 수식에도 같은 계산을 적용 시,,
  $\quad \quad$ ${\partial\ \theta\over\partial P_{diff}}= {1\over s} \left[{1\over J\omega_n}\over{s \ + \ 2\zeta \sqrt{K_p\over J\omega_g}} \right]$

• 결과적으로 가상동기기 구현의 제어 파라미터를 다음과 같이 설정하면 수식은 동일함
  $\quad \quad$ $J\omega_n=J\omega_g$ $\quad ; \quad$ ${D_p\over J} = 2\zeta \sqrt{K_p\over J\omega_g}$
  
  

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2. Outer Loop - 전압 크기 양상

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출처 및 참조

• [0]의 문헌을 기준으로 작성되었으며, 혼동을 방지하기 위해 참조 번호를 똑같이 매김

• Reference
  [0] R. Rosso, X. Wang, M. Liserre, X. Lu and S. Engelken, "Grid-Forming Converters: Control Approaches, Grid-Synchronization, and Future Trends—A Review," in IEEE Open Journal of Industry Applications, vol. 2, pp. 93-109, 2021
  [10] L. Zhang, L. Harnefors and H. Nee, "Power-Synchronization Control of Grid-Connected Voltage-Source Converters," in IEEE Transactions on Power Systems, vol. 25, no. 2, pp. 809-820, May 2010

Revision. 22. 08. 05.